压缩狂想曲

jancks

你能把一部长达一小时的高清影片压缩到只有8kB吗？显然我们会付之一笑：“脑袋让门夹了？”
　　但是有些人相信，人类历史上曾经出现过一种革命性的压缩技术，其压缩比高达1000000:1。
　　上世纪90年代初，一位名叫Jan Sloot的荷兰电视工程师发明了一种全新的编码方法，并为之申请了专利。由于他非常重视其编码方法的保密工作，以至于这世界上没人知道这种方法的原理 ——除了他自己以外。Sloot总是贴身携带着他的秘密——一个看起来最多不过1MB的存储设备，片刻不离不弃。
　　许多有头脑的发明家都明白 Sloot的专利乃是不折不扣的当代奇迹，是人类历史向前迈进的契机，足以彻底颠覆当今世界媒介存储及发布的格局。尽管Sloot拒绝向任何人提供技术细节，仍然有一票接着一票的人挥舞钞票恳求向Sloot投资。不过，也有不少人认为这是Sloot导演的把戏。
　　但是Sloot的发明确实是真的。有目击者亲眼见到Sloot将他的小小存储设备插入另一个东东，就可以回放一段视频。
　　1999年，Sloot翘辫子了，伴随他一同离世的还有那已经永远成为秘密的伟大发明。荷兰《De Ingenieur》（即英文的The Engineer）杂志的2008年8月15日号刊载了一篇文章，是一个工程师对其工作原理的大致剖析。作者分析认为：Sloot的神秘压缩方法很可能是运用了参考表和一个存储了多种像素组合的便携存储器。参考表中的每项对应于存储器中的一种像素组合。于是任何电视图像都可以依据其像素组合、按照参考表重新编码，实现出众的压缩比。在重构原始图像时，直接根据参考表选取像素组合就可以快速生成原始的视频图像。
　　Sloot的参考表很小，只有几kB。有些人经过推理后认为，Sloot的参考表就是那段回放视频的实体。如果这是真的，那么Sloot的压缩方法将达到1000000:1的压缩比。文章探讨了这种压缩方法的实用性，并与其它压缩方法（例如 MPEG-2）进行了比较，结论是虽然实现方式有差别，但是Sloot的方法确实可行——虽然只是对他的演示视频而言。
　　那么现实生活中我们能获得多大的压缩比？需要多大的存储器？
　　要回答这个问题，我们首先需要一点点信息学的基础知识。什么条件下才能保障通信不失真？如果在信道中出现噪声干扰，会出现什么现象？信息学的一个著名原理就是奈奎斯特-香农采样原理：假定某个模拟信号（例如模拟电视信号）的最高频率为f，则采样频率应至少大于该频率的2倍（即2*f），才能不失真地复原该信号。
　　举例来说，PAL视频信号的有效分辨率为720×576，也就是说每帧图像包含414720个有效像素。电视信号需要每秒刷新24次（Ejack：此处有误，按规定P制的帧频为25Hz），所以每秒需要刷新千万像素。此外，每个像素编码时需要几位呢？人眼能够分辨出10亿级亮度，并且能够区分120种颜色。这些数据量化后，分别需要23位以及7位，总共每像素30位。不过，人眼对于颜色的敏感程度是与亮度相关的。以PAL为例，理论上的采样底线是每秒3亿位，不过实际上比这低得多。
　　假定我们把像素的亮度和色度限制为15位，于是每秒需要处理1.5亿个位。因此一部一小时的电影总共需要135GB的存储空间。显然这太大了。大家都知道，每幅图像中都会有不太重要的部分，称为冗余信息，我们可以采取各种方法去除这些冗余信息。此外，帧与帧之间存在很多重复的部分，也可以采取帧间编码的方式尽量去除这些冗余信息。
　　目前主流的H264的压缩比约为50:1，也就是说，1920×1080的全高清图像，经过H264技术压缩后，大致相当于每帧只需要45000个像素就能存储其全部的信息。但是，如果压缩比能到达1000000:1，会意味着什么？哈哈，那相当于每帧只需要两个像素就能代表整帧的信息！两个像素！
　　如果压缩比真能到这么高，那么任何视频都不再是问题。不过很遗憾，这么高的压缩比可能只对某段特定的视频才能复现——假如它还能重生的话。